全光纖電流互感器技術(shù)應(yīng)用評(píng)述

宋璇坤，閆培麗，肖智宏，劉東偉，李永兵

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全光纖電流互感器技術(shù)應(yīng)用評(píng)述

宋璇坤1，閆培麗1，肖智宏1，劉東偉2，李永兵2

(1.國(guó)網(wǎng)北京經(jīng)濟(jì)技術(shù)研究院，北京 100052；2.易能乾元(北京)電力科技有限公司，北京 100093)

介紹了全光纖電流互感器(FOCT)的基礎(chǔ)技術(shù)原理。闡述了FOCT的抗振動(dòng)干擾技術(shù)、高低溫環(huán)境適應(yīng)性、長(zhǎng)期穩(wěn)定性等實(shí)用化關(guān)鍵技術(shù)，并給出其主要解決途徑?？偨Y(jié)了FOCT性能檢測(cè)情況及在國(guó)內(nèi)的應(yīng)用現(xiàn)狀，提出FOCT與GIS、DCB等一次設(shè)備的集成安裝方式，集成設(shè)備將用于新一代智能變電站的建設(shè)。分析了FOCT在電能計(jì)量、繼電保護(hù)等應(yīng)用中的問(wèn)題，提出一種滿足繼電保護(hù)要求的雙采樣技術(shù)方案。最后，對(duì)FOCT的未來(lái)技術(shù)發(fā)展及應(yīng)用前景進(jìn)行展望。

全光纖電流互感器；振動(dòng)；溫度；長(zhǎng)期穩(wěn)定性；性能檢測(cè)；雙采樣；應(yīng)用現(xiàn)狀

0 引言

智能變電站是堅(jiān)強(qiáng)智能電網(wǎng)的重要組成部分，新一代智能變電站建設(shè)對(duì)電流互感器等一次設(shè)備在集成化、智能化等方面提出了新的更高的要求。傳統(tǒng)電流互感器存在絕緣結(jié)構(gòu)復(fù)雜、安全性低、動(dòng)態(tài)性能差等問(wèn)題，已難以滿足新一代電力系統(tǒng)建設(shè)需求[1-2]。

Faraday磁旋光效應(yīng)為高壓電流信號(hào)的光學(xué)傳感技術(shù)提供了理論基礎(chǔ)。20世紀(jì)80年代以來(lái)，光學(xué)電流互感器作為一種新型的高壓電流測(cè)量技術(shù)受到國(guó)內(nèi)外研究機(jī)構(gòu)的重視，并伴隨著光通信、微電子行業(yè)的進(jìn)步獲得快速發(fā)展。全光纖電流互感器(Fiber Optic Current Transformer, FOCT)是一種基于Sagnac精密光纖干涉儀的電流傳感裝置，采用光學(xué)相位反饋閉環(huán)控制系統(tǒng)，具有絕緣結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、暫態(tài)性能好、智能化、易于集成等特點(diǎn)，契合新一代智能變電站的建設(shè)需求。同時(shí)FOCT在技術(shù)穩(wěn)定度、工程應(yīng)用數(shù)量與經(jīng)驗(yàn)等方面均優(yōu)于其他類型的光學(xué)電流互感器，已逐漸成為主流技術(shù)和產(chǎn)品方向[3]。

Sagnac光纖干涉儀最早用于光纖陀螺儀技術(shù)。1988年，Nicati等人首次提出基于Sagnac光纖干涉儀的電流互感器光路，使FOCT系統(tǒng)動(dòng)態(tài)范圍提升至三個(gè)量級(jí)[4]。在此后的十余年間，國(guó)際研究學(xué)者針對(duì)FOCT的溫度、振動(dòng)等實(shí)用化關(guān)鍵技術(shù)做了大量的研究，從互易性光路設(shè)計(jì)、新型光纖材料及光纖結(jié)構(gòu)、光學(xué)器件等多個(gè)方面均取得進(jìn)展，文獻(xiàn)[5]對(duì)此做了綜述。2000年以后，隨著光電子技術(shù)進(jìn)步和產(chǎn)業(yè)發(fā)展，光纖陀螺儀技術(shù)取得重大突破并已廣泛應(yīng)用于航天、航空及船舶領(lǐng)域[6]。在光纖陀螺儀的基礎(chǔ)技術(shù)產(chǎn)業(yè)平臺(tái)上，結(jié)合國(guó)內(nèi)智能電網(wǎng)建設(shè)的需求牽引，國(guó)內(nèi)FOCT技術(shù)取得顯著進(jìn)展，并在智能變電站中獲得批量化的應(yīng)用。相同時(shí)期，國(guó)際上瑞士學(xué)者Bohnert等(ABB公司)研制出準(zhǔn)確度達(dá)0.1級(jí)的FOCT樣機(jī)，并用于冶金直流大電流的測(cè)量[7]和420?kV隔離式斷路器[8]。日本學(xué)者Takahashi等突破了振動(dòng)、溫度等技術(shù)難題，研制出0.1級(jí)FOCT樣機(jī)，在換流站中的金屬回線轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)中掛網(wǎng)應(yīng)用[9]。

本文基于FOCT技術(shù)原理，分析了其溫度、振動(dòng)和長(zhǎng)期穩(wěn)定性等實(shí)用化關(guān)鍵技術(shù)及解決措施，總結(jié)了總體應(yīng)用現(xiàn)狀、在智能變電站中的主要應(yīng)用方式及推廣中面臨的難題，并對(duì)FOCT未來(lái)技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)及應(yīng)用前景進(jìn)行分析和展望。

1 ?技術(shù)現(xiàn)狀

1.1 關(guān)鍵技術(shù)分析

(1)?抗振動(dòng)干擾技術(shù)

為了降低FOCT振動(dòng)等非互易性誤差，G. Frosio等提出一種反射式干涉儀光路用于提高FOCT測(cè)量性能及環(huán)境適應(yīng)性[10]。如圖1所示，偏振器與相位調(diào)制器之間的光纖45°熔接，其輸出的線偏振光被分成兩束正交傳輸?shù)木€偏振光，經(jīng)反射鏡反射后交換傳輸路徑，返回至偏振器發(fā)生干涉。J. Blake等人則進(jìn)一步研究了機(jī)械振動(dòng)、環(huán)境溫度等對(duì)反射式Sagnac干涉儀系統(tǒng)的影響及克服辦法，實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示反射式光路結(jié)構(gòu)的敏感單元(圖1中的一次側(cè))對(duì)振動(dòng)不具有敏感性，能夠顯著提高FOCT的抗振性能[11]。并且該方案電流引起的法拉第相移是Sagnac干涉式的兩倍，靈敏度更高，成為主要光路方案。

圖1 反射式FOCT光路結(jié)構(gòu)

Short等人研究結(jié)果表明，雖然反射式FOCT的敏感單元具有較好的抗振性能，其余光路對(duì)振動(dòng)仍具有敏感性[12]。在實(shí)際應(yīng)用中，一次側(cè)敏感單元更易受到來(lái)自于斷路器及母線傳來(lái)的振動(dòng)，而二次側(cè)光路則可置于隔振效果較好的控制柜中。因此該方案具有較好的工程適應(yīng)性。

(2)?高低溫環(huán)境適應(yīng)性技術(shù)

圓保偏光纖線圈是敏感電流磁場(chǎng)的關(guān)鍵元件，其雙折射特性直接影響FOCT的性能[13]。傳感光纖主要有低雙折射光纖和高雙折射光纖兩種，其中低雙折射光纖是在單模光纖的生產(chǎn)過(guò)程中，為消除結(jié)構(gòu)上的非理想性而進(jìn)行旋轉(zhuǎn)。這種光纖更接近于理想的單模光纖，能保持各種偏振態(tài)光波的傳輸，但易受彎曲及溫度應(yīng)力的影響而產(chǎn)生附加雙折射，從而影響FOCT性能，主要應(yīng)用于早期的互感器樣機(jī)。通過(guò)對(duì)高線性雙折射光纖拉絲中進(jìn)行扭轉(zhuǎn)制成的橢圓雙折射光纖，如圖2所示，能夠有效抑制微觀的擾動(dòng)(如彎曲)、宏觀的擾動(dòng)(振動(dòng)應(yīng)力或纏繞)等引起的雙折射誤差，具有很好的高低溫性能、抗干擾性能和長(zhǎng)期穩(wěn)定性，成為高性能FOCT的核心元件[14-15]。

采用高雙折射光纖能夠降低溫度雙折射的影響，但光纖的維爾德常數(shù)具有正溫度系統(tǒng)，在-40~80℃溫度范圍內(nèi)引起約1%的標(biāo)度因素誤差。通過(guò)選擇1/4波片相位延遲的工作區(qū)間，制作具有負(fù)溫度系數(shù)的1/4波片，實(shí)現(xiàn)對(duì)光纖維爾德常數(shù)溫度誤差的硬件補(bǔ)償[16]，如圖3所示，從而使全溫度范圍內(nèi)的變比誤差控制在0.1%以內(nèi)[8]。

圖3 1/4波片溫度補(bǔ)償示意圖

Takahashi等人提出控制保偏光纖消光比的方法對(duì)維爾德常數(shù)帶來(lái)的溫度誤差進(jìn)行補(bǔ)償[9]。如圖4所示，保偏光纖穿過(guò)專用金屬套管，在高低溫環(huán)境下受到金屬套管形變壓力的作用而產(chǎn)生消光比的變化，所引起傳感器標(biāo)度因數(shù)的變化能夠補(bǔ)償維爾德常數(shù)帶來(lái)的溫度誤差。試驗(yàn)結(jié)果表明，采用該技術(shù)的互感器系統(tǒng)在-40~80℃內(nèi)比差小于±0.1%。

圖4 保偏光纖金屬套管封裝圖

(3)?長(zhǎng)期穩(wěn)定性技術(shù)

閉環(huán)反饋控制技術(shù)通常被應(yīng)用于傳感器系統(tǒng)，能夠有效提高系統(tǒng)測(cè)量精度和長(zhǎng)期穩(wěn)定性。在FOCT技術(shù)方案中，相位反饋、調(diào)制系數(shù)反饋、光源溫控、光源驅(qū)動(dòng)反饋等是提高長(zhǎng)期穩(wěn)定性的關(guān)鍵技術(shù)。

干涉光強(qiáng)是法拉第相移的余弦函數(shù)，在小電流情況下的靈敏度較低，在大電流輸入的情況下，輸出信號(hào)的非線性誤差將增大，會(huì)嚴(yán)重影響到繼電保護(hù)判斷的正確性和可靠性。為解決靈敏度低和輸出非線性的問(wèn)題，F(xiàn)OCT系統(tǒng)利用相位調(diào)制器實(shí)現(xiàn)對(duì)光相位的調(diào)制和反饋補(bǔ)償。如圖5所示，利用高速AD轉(zhuǎn)換器將干涉光強(qiáng)的模擬信號(hào)變?yōu)閿?shù)字信號(hào)進(jìn)入數(shù)字處理單元，完成數(shù)字采樣、解調(diào)、數(shù)字積分等控制算法，形成的數(shù)字斜波與調(diào)制方波相加后，利用DA轉(zhuǎn)換器將合成的數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換為模擬信號(hào)，并施加到調(diào)制器。從而將開(kāi)環(huán)的余弦輸出曲線轉(zhuǎn)變?yōu)榫€性響應(yīng)，使互感器的測(cè)量范圍和精度均大幅提高。同時(shí)，為了降低調(diào)制器在高低溫環(huán)境下及長(zhǎng)期緩慢漂移的影響，可采用調(diào)制系數(shù)反饋控制技術(shù)，通過(guò)“四態(tài)”方波調(diào)制得到調(diào)制系數(shù)的變化量，并進(jìn)行自動(dòng)跟蹤與反饋校正，大幅提高系統(tǒng)長(zhǎng)期穩(wěn)定性[17]。

光源為互感器提供產(chǎn)生法拉第效應(yīng)所需要的光學(xué)信號(hào)，其光功率、譜寬、偏振度、平均波長(zhǎng)穩(wěn)定性等參數(shù)，直接影響FOCT的性能穩(wěn)定性。目前FOCT系統(tǒng)通常采用SLD光源，這種光源具有較高的輸出功率、較寬的光譜，并且通過(guò)增加光源溫度控制回路，可獲得100?ppm的波長(zhǎng)穩(wěn)定性。譜寬在一定范圍內(nèi)的寬譜光源具有短的相干長(zhǎng)度，有利于抑制Sagnac干涉儀光路中瑞利散射、克爾效應(yīng)等引起的寄生干涉[18]。此外，采用光源驅(qū)動(dòng)閉環(huán)控制技術(shù)可使光源長(zhǎng)期輸出穩(wěn)定功率。如圖5所示，從探測(cè)器輸出信號(hào)中提取直流信號(hào)作為反饋控制信號(hào)，直接反映了互感器全部光路的總光功率變化，用于對(duì)于光源的高精度閉環(huán)控制[19]。

圖5 多路閉環(huán)控制示意圖

1.2 性能檢測(cè)情況

電子式互感器在早期應(yīng)用中存在可靠性和穩(wěn)定性差、故障率較高。為加強(qiáng)電子式互感器質(zhì)量管控，提升產(chǎn)品質(zhì)量和性能，國(guó)家電網(wǎng)公司于2011年底組織開(kāi)展了電子式互感器性能檢測(cè)工作，由中國(guó)電力科學(xué)研究院電力工業(yè)電氣設(shè)備質(zhì)量檢驗(yàn)測(cè)試中心承擔(dān)檢測(cè)工作。性能檢測(cè)試驗(yàn)項(xiàng)目基于國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 20840-7，GB/T20840-8，對(duì)電磁兼容、溫度循環(huán)準(zhǔn)確度等多項(xiàng)試驗(yàn)項(xiàng)目的標(biāo)準(zhǔn)要求做了提高和修改，同時(shí)增加了斷路器振動(dòng)干擾、隔離開(kāi)關(guān)分合容性小電流抗干擾等特殊試驗(yàn)項(xiàng)目。國(guó)內(nèi)15個(gè)研究機(jī)構(gòu)或設(shè)備廠家提供的FOCT設(shè)備參加了首批性能檢測(cè)試驗(yàn)，但均未能通過(guò)檢測(cè)，故障原因集中在高低溫準(zhǔn)確度及電磁兼容等試驗(yàn)項(xiàng)目[20]。隨著高雙折射扭轉(zhuǎn)光纖等關(guān)鍵技術(shù)的突破，自2012年底，陸續(xù)有FOCT樣機(jī)通過(guò)性能檢測(cè)試驗(yàn)。截止2014年底，中國(guó)電科院官網(wǎng)公告數(shù)據(jù)顯示，已有十余家15臺(tái)FOCT樣機(jī)通過(guò)性能檢測(cè)試驗(yàn)，標(biāo)識(shí)著國(guó)內(nèi)FOCT整體技術(shù)水平已取得重大提升。

2 ?應(yīng)用現(xiàn)狀

2.1 總體應(yīng)用現(xiàn)狀

我國(guó)開(kāi)展智能電網(wǎng)建設(shè)以來(lái)，在改造與新建的智能化變電站中，已成功投運(yùn)了2000多臺(tái)110~750 kV電壓等級(jí)的電子式電流互感器，其中FOCT應(yīng)用占比約為40%[21]，在智能變電站試點(diǎn)工程中應(yīng)用占比約為52%[22]。FOCT在工程應(yīng)用中出現(xiàn)的主要故障如安裝過(guò)程中的光纖損壞、元器件個(gè)例失效等。工程應(yīng)用為FOCT的設(shè)計(jì)檢測(cè)、安裝調(diào)試及運(yùn)行維護(hù)等多個(gè)環(huán)節(jié)均積累了寶貴的經(jīng)驗(yàn)。

2.2 典型應(yīng)用方式

早期FOCT的安裝方式是與傳統(tǒng)電磁式互感器兼容的獨(dú)立支柱式。隨著我國(guó)智能電網(wǎng)建設(shè)的推進(jìn)，F(xiàn)OCT在新一代智能變電站建設(shè)中的主要應(yīng)用方式為GIS集成安裝式和隔離式斷路器集成安裝式。

GIS集成安裝式如圖6所示，F(xiàn)OCT敏感單元通過(guò)連接法蘭與GIS對(duì)接安裝。敏感單元安裝在氣室外側(cè)，無(wú)氣密及動(dòng)熱穩(wěn)定問(wèn)題，相比傳統(tǒng)互感器能夠大幅度減小GIS的體積[23]。這種集成安裝方式能夠適用于各類電壓等級(jí)的GIS設(shè)備。

圖6 FOCT與GIS集成安裝示意圖

隔離式斷路器(Disconnecting Circuit Breaker, DCB)是集成斷路器、隔離開(kāi)關(guān)、電子式電流互感器的新型智能高壓一次設(shè)備，在新一代智能變電站建設(shè)中具有廣闊的應(yīng)用前景[24]。集成安裝方式如圖7所示，F(xiàn)OCT敏感單元安裝在絕緣套管的端面法蘭內(nèi)，傳輸光纖則預(yù)埋在套管側(cè)壁與二次側(cè)光路相連。FOCT與DCB集成具有一些突出的優(yōu)勢(shì)，如集成程度高、抗干擾能力強(qiáng)、高壓檢修周期與DCB相同等。

圖7 FOCT與DCB集成安裝示意圖

2.3 應(yīng)用推廣面臨的問(wèn)題

(1)?繼電保護(hù)雙A/D采樣問(wèn)題

智能變電站繼電保護(hù)對(duì)電子式電流互感器提出了雙A/D采樣的可靠性要求，即每路電子式互感器采用雙A/D采樣系統(tǒng)接入合并單元。有源電子式電流互感器為單向數(shù)據(jù)采集的方式，很容易實(shí)現(xiàn)對(duì)一路傳感信號(hào)的雙A/D采樣[25]，如圖8(a)所示。而FOCT采用了閉環(huán)反饋的信號(hào)處理技術(shù)，包含A/D、D/A轉(zhuǎn)換電路，較難實(shí)現(xiàn)電路的整體雙重化。規(guī)范規(guī)定采用兩只獨(dú)立FOCT提供雙采樣數(shù)據(jù)[26]，如圖8(b)所示，該配置方式使FOCT用量及工程造價(jià)加倍，不利于推廣。結(jié)合繼電保護(hù)要求及FOCT的特點(diǎn)，圖8(c)提出一種優(yōu)化配置的集成傳感光路方案，配合雙A/D、雙D/A控制電路，實(shí)現(xiàn)兩路采樣回路的獨(dú)立工作，完全滿足繼電保護(hù)配置的可靠性要求，同時(shí)能夠有效降低使用成本，具有重要的研究?jī)r(jià)值。

圖8 電子式互感器雙采樣配置方式

(2)?用于電能計(jì)量的精度與穩(wěn)定性問(wèn)題

近年FOCT的高低溫準(zhǔn)確度及穩(wěn)定性等均得到較大提高，但在用于電能計(jì)量時(shí)，需長(zhǎng)時(shí)間穩(wěn)定滿足0.2S測(cè)量準(zhǔn)確級(jí)。目前尚無(wú)充分的試驗(yàn)數(shù)據(jù)驗(yàn)證FOCT的長(zhǎng)期穩(wěn)定性。

此外，與傳統(tǒng)互感器相比，F(xiàn)OCT具有光纖陀螺儀等光學(xué)傳感器所共同面臨的隨機(jī)噪聲問(wèn)題，這是由光學(xué)元件的特性所決定的。目前已有大量文獻(xiàn)研究了光纖陀螺儀隨機(jī)噪聲的機(jī)理、識(shí)別與評(píng)價(jià)方法、抑制措施及對(duì)導(dǎo)航和姿態(tài)控制應(yīng)用的影響[27]，部分研究成果可以應(yīng)用于FOCT設(shè)備，但仍需開(kāi)展FOCT隨機(jī)噪聲對(duì)電能計(jì)量影響及其試驗(yàn)驗(yàn)證技術(shù)的研究[28]。

(3)?技術(shù)規(guī)范不完善的問(wèn)題

智能變電站的建設(shè)過(guò)程中，在電子式互感器技術(shù)規(guī)范的制定方面取得較為豐碩的成果。但由于FOCT與有源電子式電流互感器之間的特性差異，通用技術(shù)規(guī)范難以較好地指導(dǎo)FOCT的工程實(shí)施，有必要開(kāi)展針對(duì)性技術(shù)規(guī)范的研究與制定工作，如FOCT與一次設(shè)備的集成與檢測(cè)、現(xiàn)場(chǎng)施工、運(yùn)維與檢修技術(shù)規(guī)范等。

3 ?結(jié)語(yǔ)

FOCT在安全性、準(zhǔn)確性及集成度等方面具有突出的優(yōu)勢(shì)，是電子式電流互感器未來(lái)技術(shù)發(fā)展方向。近年來(lái)，國(guó)內(nèi)FOCT設(shè)備的抗振性能、高低溫性能、長(zhǎng)期穩(wěn)定性等關(guān)鍵技術(shù)取得突破性進(jìn)展，并被推廣應(yīng)用于智能變電站的建設(shè)，積累了較為豐富的工程應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)。但在其后續(xù)的推廣應(yīng)用中，仍面臨繼電保護(hù)雙采樣等急需突破的關(guān)鍵技術(shù)難題。

隨著智能電網(wǎng)建設(shè)的不斷推進(jìn)，對(duì)智能變電站提出新的更高的需求，如基于“一體化設(shè)備、一體化網(wǎng)絡(luò)、一體化系統(tǒng)”的新一代智能變電站建設(shè)方案，及基于“新型設(shè)備、新式材料、新興技術(shù)”的遠(yuǎn)期智能變電站技術(shù)方案等[29]。結(jié)合以上重大需求，分析FOCT技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)如下。

(1)?高度集成化。未來(lái)FOCT將與GIS、DCB等智能一次設(shè)備進(jìn)行高度的集成，二次采集單元與合并單元、智能終端等進(jìn)行集成，并同時(shí)滿足計(jì)量、保護(hù)、行波測(cè)量等需求的設(shè)備功能復(fù)用化。

(2)?設(shè)備智能化。未來(lái)FOCT具有準(zhǔn)確、及時(shí)的故障自我診斷與定位功能，支撐智能變電站的狀態(tài)監(jiān)測(cè)信息一體化與運(yùn)維簡(jiǎn)易化。

(3)?利用FOCT的良好傳變特性，全面支撐“輕型直流輸電”和電力電子變電站的建設(shè)。

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(編輯 姜新麗)

Comment on the technology and application of fiber optic current transformer (FOCT)

SONG Xuankun1, YAN Peili1, XIAO Zhihong1, LIU Dongwei2, LI Yongbing2

(1. State Power Economic Research Institute, Beijing 100052, China; 2. Enerxy QianYuan (Beijing) Electric Power Technology Limited, Beijing 100093, China)

The basic principles of FOCT are introduced. The technology of anti-vibration, temperature adaptability and long-term stability are described, and the main solutions are given. Performance testing and application in China are summarized. The integrated installation method of FOCT and high voltage equipment, such as GIS, DCB, is put forward. Integrated equipment will be used for the construction of a new generation intelligent substation. The problems in the application of FOCT in electric energy measurement and relay protection are analyzed. A double sampling technique is proposed to meet the requirements of relay protection. At last, the development and application in the future are prospected.

FOCT; vibration; temperature; long-term stability; performance testing; double sampling; application status

10.7667/PSPC151049

2015-06-24；

2015-09-25

宋璇坤(1960-)，女，總工程師，教授級(jí)高工，研究方向?yàn)殡娏ο到y(tǒng)分析與控制；

閆培麗(1975-)，女，高級(jí)工程師，研究方向?yàn)殡娏ο到y(tǒng)分析與控制；

肖智宏(1977-)，男，高級(jí)工程師，研究方向?yàn)殡娏ο到y(tǒng)分析與控制。

國(guó)家電網(wǎng)公司科技項(xiàng)目(B3441515K003)